リチウム電池は何でできていますか？現代のリチウム電池の種類。未使用の電池の保管に関する規則。

リチウムイオン電池を適切に充電する方法と、それが必要な理由は何ですか? 私たちの現代のデバイス独立した電源の存在により機能します。電動ドリル、ドライバー、スマートフォン、ラップトップなど、デバイスの種類は問いません。そのため、リチウムイオン電池を適切に充電する方法についての質問に対する答えを知ることが非常に重要です。

唯一の問題は、ほとんどのバッテリーが非常に速く動作することです。充電器、あなたはそれらを捨てる必要があります。ポケットに負担がかかり、環境にも悪影響を及ぼします。世界中で、私たちは毎年何十億もの使い捨て電池を捨てています。充電式バッテリーは、この問題を解決し、リチウムイオンと呼ばれる技術を最大限に活用するのに役立ちます。それらがどのように機能するかを詳しく見てみましょう！

従来のバッテリーの問題点

写真: このラップトップのようなリチウムイオンバッテリーは、セルと呼ばれる一連の電源ユニットで構成されています。このバッテリーの定格は 8 ボルトで、内部に 3 つのセルがあります。電池の両端を懐中電灯のようなものに接続すると、化学反応が始まります。電池内の化学物質はゆっくりと、しかし体系的に分解され、結合して別の化学物質になります。化学物質、イオンおよび負に帯電した電子と呼ばれる正に帯電した粒子の流れを作成します。イオンはバッテリー内を移動します。電子はバッテリーが接続されている回路を通過し、電気エネルギー、懐中電灯を制御します。

リチウムイオン電池とは何かについて少し

最新のスマートフォンやその他のデバイスで使用されている自律型電源は、通常、いくつかの異なるグループに分けられます。それらは十分にあります。同じことを考えてみましょうしかし、リチウムイオンタイプ（英語表記Li-Ion）のバッテリーが最も頻繁に取り付けられているのは、携帯技術、つまりスマートフォンやラップトップです。これにつながった理由は、異なる性質のものです。

唯一の問題は、この化学反応が 1 回しか起こらず、一方向にしか起こらないことです。そのため、従来のバッテリーは通常、充電できません。写真: この炭素亜鉛電池のような従来の電池は、電力を生成する化学反応が可逆的でないため、再充電できません。

アキュムレータ = 可逆反応

充電式電池にはさまざまな化学物質が使用されており、それらはまったく異なる反応でバラバラになります。大きな違いは、充電式バッテリーの化学反応が可逆的であることです。バッテリーが放電されると、反応は一方向に進み、バッテリーは電力を供給します。バッテリーが充電中の場合、反応は反対方向に進み、バッテリーはエネルギーを吸収します。これらの化学反応は両方向で何百回も発生する可能性があるため、充電式バッテリーは通常 2、3 年から 10 年かかります。有益な使用.

これらのタイプのバッテリーの利点

まず第一に、これらのエネルギー源を生産することがいかに簡単で安価であるかに注意する必要があります。それらの追加の利点は、優れた動作特性です。自己放電損失は非常に小さく、これも役割を果たしました。しかし、充電と放電のサイクルの在庫は非常に大きいです。これらすべてが合わさって、リチウムイオン電池は、スマートフォンやラップトップでの使用の分野で、他の同様のデバイスの中でもリーダーとなっています。ルールには例外がありますが、それらはケース総数の約 10% を占めています。そのため、多くのユーザーがリチウムイオン電池を適切に充電する方法について質問しています。

リチウムイオン電池のしくみ

写真：リチウムイオン電池は、リチウムイオン電池を含む電池よりも環境への害が少ないヘビーメタル、カドミウムや水銀などですが、それらを再利用することは、焼却や埋め立てよりも望ましいことです。他のバッテリーと同様に、リチウムイオンバッテリーは、セルと呼ばれる 1 つまたは複数の電源ユニットで構成されています。各セルには、本質的に 3 つのコンポーネントがあります。正極、負極、およびその間の電解質と呼ばれる化学物質です。

重要で興味深い事実

スマートフォンのバッテリーには独自の特徴があります。したがって、強制的な充電または放電のプロセスを開始する前であっても、特定のルールを理解し、関連する指示に精通している必要があります。まず第一に、このタイプのほとんどのバッテリーには追加の制御装置が特別に装備されていることに注意してください。その使用は、電荷を特定のレベル（クリティカルとも呼ばれます）に保持する必要があるためです。したがって、特にスマートフォンのバッテリーに組み込まれている制御デバイスは、その致命的なラインを超えることを許可しません。その後、サービススペシャリストが言うように、バッテリーは単に「死ぬ」だけです。物理学の観点からは、すべてが次のようになります。逆のプロセス (臨界放電) では、リチウムイオンバッテリーの電圧は単純にゼロに低下します。並行して、電流の流れがブロックされます。

正極は通常、化合物、コバルト酸リチウム、または新しいバッテリーではリン酸鉄リチウムと呼ばれます。負極は通常炭素でできており、電解質は電池の種類によって異なりますが、電池の仕組みの基本的な考え方を理解することはあまり重要ではありません。

すべてのリチウムイオン電池は、基本的に同じように機能します。バッテリーが充電されると、コバルト酸リチウムの正極はリチウムイオンの一部を放出し、電解液を通ってグラファイトの負極に移動し、そこにとどまります。バッテリーは、このプロセス中にエネルギーを消費して蓄えます。バッテリーが放電されると、リチウムイオンが電解質を通って正極に戻り、バッテリーに電力を供給するエネルギーが生成されます。どちらの場合も、電子は外側のループの周りのイオンとは反対方向に移動します。

このバッテリー寿命の源に基づいてデジタル機器を適切に充電する方法

お使いのスマートフォンがリチウムイオンバッテリーを搭載している場合、バッテリーインジケーターがおおよそ次の数値を示したら、デバイス自体を充電する必要があります: 10 ～ 20%。ファブレットやタブレット PC についても同様です。これは、リチウムイオンバッテリーを適切に充電する方法についての簡単な回答です。公称充電の 100% に達した場合でも、デバイスを接続したままにしておく必要があることに注意してください。電気ネットワークさらに1、2時間。実際のところ、デバイスは充電を誤解しており、スマートフォンやタブレットを提供する 100% は実際には 70 ～ 80% しかありません。

リチウム電池: デバイス

電子は電解質を通って流れません。電子について話しているので、それは効果的に絶縁バリアです。イオンと電子の動きはプロセスによって相互に関連しており、どちらかが停止すると、もう一方も停止します。バッテリーが完全に放電されてイオンが電解液中を移動しなくなると、電子は外部回路を移動できなくなり、電力が失われます。同様に、バッテリーで駆動されるすべての電源をオフにすると、電子の流れが停止し、イオンの流れも停止します。

バッテリーは本質的に、高速で放電を停止します。もっと違うシンプルな電池、リチウムイオン電池は、充電と放電の方法を調整する電子コントローラーに組み込まれています。場合によってはリチウムイオン電池が爆発する原因となる過充電や過熱を防ぎます。

デバイスにリチウムイオンバッテリーが搭載されている場合は、その操作の微妙な点を知っておく必要があります。それらに従うことで、この要素だけでなくデバイス全体の寿命を延ばすことができるため、これは将来的に非常に役立ちます。したがって、3 か月に 1 回、デバイスを完全に放電する必要があることを覚えておいてください。これは予防目的で行われます。

リチウムイオン電池の充電と放電

アニメーション: リチウムイオンバッテリーの充電と放電。その名前が示すように、リチウムイオンバッテリーはリチウムイオンの移動に関するものです。バッテリーが充電されると、イオンは一方向に移動します。電池が切れると反対方向に動きます。充電中、リチウムイオンは電解質を通って正極から負極に流れます。電子も正極から負極に流れますが、外部回路を遠くまで移動します。イオンが流れなくなると、バッテリーは完全に充電され、使用できる状態になります。放電中、イオンは電解質を通って負極から正極に戻ります。電子は負電極から外部回路を通って正電極に流れ、ラップトップに電力を供給します。イオンと電子が正極で結合すると、そこにリチウムが析出します。すべてのイオンが戻ってくると、バッテリーは完全に放電され、再び充電されます。

リチウムイオンの貯蔵方法

電子とイオンが負極で結合し、リチウムが析出します。 . アニメーション: グラファイトの負極電極と酸化コバルトの正極電極にリチウムイオンがどのように蓄えられるか。

ただし、放電したバッテリーを充電する方法については後で説明します。ここでは、USB ポートを介してモバイルデバイスをこれらの驚異的なテクノロジーに接続する場合、デスクトップコンピューターとラップトップが十分に高い電圧を供給できないことを指摘しておきます。したがって、これらのソースからデバイスを完全に充電するには、より多くの時間がかかります。興味深いことに、リチウムイオンバッテリーの寿命は、1 つの技術で延長できます。それは充電サイクルを交互にすることで構成されています。つまり、デバイスを 100% で完全に充電すると、2 回目は完全ではありません (80 ～ 90%)。そして、これら 2 つのオプションが交互に表示されます。この場合、充電器を使用してリチウムイオン電池.

この 2 番目のアニメーションは、バッテリーで何が起こっているかをもう少し詳しく示しています。ここでも、負のグラファイト電極は左側に、酸化コバルトの正電極は右側に示され、リチウムイオンは黄色の円で表されます。バッテリが完全に充電されると、すべてのリチウムイオンがグラファイト電極上のグラフェン層の間に蓄えられます。この充電状態では、バッテリーは効果的に多層サンドイッチであり、グラフェン層とリチウムイオン層が交互になっています。放電、イオンはグラファイト電極から酸化コバルト電極に移動します。

利用規約

一般的に、リチウムイオン電源は気取らないと言えます。このトピックについてはすでに説明しましたが、この特性が他の特性とともに、コンピューティングで広く使用されている理由になっていることがわかりました。ただし、このようなスマートバッテリーアーキテクチャでさえ、長期的な性能を完全に保証するものではありません。この期間は主に人によって異なります。しかし、それ以上のことをする必要はありません。いつまでも覚えていられる簡単なルールが 5 つあるとしたら、それらをうまく適用してください。この場合、リチウムイオン電源は非常に長い間使用できます。

オリジナルの充電器のみを使用してください

完全に放電すると、すべてのリチウムイオンが右側の酸化コバルト電極に移動します。また、リチウムイオンは、コバルトイオンと酸化物イオンの層の間に層状に配置されています。バッテリーが充電および放電されると、リチウムイオンが一方の電極から他方の電極へと行き来します。

リチウムイオン電池の利点

一般に、リチウムイオンバッテリーは、ニッケルカドミウムなどの古い技術よりも信頼性が高く、「メモリー効果」として知られる問題に悩まされることはありません。リチウムイオン電池はカドミウムを含まないため、環境にも良いですが、電池を埋立地に捨てることは決して良い考えではありません. 重い二次電池と比較して、リチウムイオン電池は蓄えられるエネルギー量の割には比較的軽いです。

ルール 1

それは完全に必要ではないという事実にあります。このような手順は、3か月に1回だけ実行する必要があるとすでに言われています。これらの電源の最新の設計には、「メモリ効果」がありません。したがって、実際には、完全に「座る」前であっても、デバイスを充電する時間がある方がよいでしょう。ところで、対応する製品のメーカーによっては、製品の寿命をサイクル数で測定していることは非常に注目に値します。トップクラスの製品は、約 600 サイクル「生き残る」ことができます。

リチウムイオン電池のデメリット

完全に充電すると、車の航続距離は 350 km を超えます。左：見えます黄色のワイヤー電源、バッテリーの充電。右: バッテリーは、後輪の真上に見える大きなコンパートメントにあります。リチウムイオン電池の欠点に関心がある場合は、リチウムイオン電池を何と比較しているかを覚えておくことが重要です。車の動力源としては、他のバッテリーではなく、ガソリンと比較する必要があります。何年にもわたる大幅な進歩にもかかわらず、キログラムごとに、バッテリーはまだ通常のガスよりもエネルギーのごく一部しか保存できません。より科学的に言えば、エネルギー密度ははるかに低くなります。

ルール 2

モバイルデバイスを完全に放電する必要があると表示されます。予防のために3ヶ月ごとに実施する必要があります。それどころか、不規則で不安定な充電は、最小充電と最大充電の公称マークをシフトさせる可能性があります。したがって、このソースが組み込まれているデバイスバッテリー寿命、実際にどれだけのエネルギーが残っているかについて誤った情報を取得し始めます。そして、これは、エネルギー消費の誤った計算につながります。

これはまた、電気自動車のバッテリーを充電するには通常数時間かかるのに対し、ガソリン車を数分で完全に「充電」できる理由も説明しています。繰り返しますが、これらの欠点は、電気自動車の燃費や大気汚染の相対的な欠如など、他の利点によって相殺されることを覚えておく必要があります。

写真: リチウムイオン電池は、充電中に発生するガスを放出する手段がなければ、小さな枕のように膨らむ可能性があります。ここに2つの同一のバッテリーがあります携帯電話、内部にガザが閉じ込められているため、上部の幅がほぼ2倍になっています。

予防放電は、これを防ぐために設計されています。これが発生すると、制御回路は自動的に最小充電値をリセットします。ただし、ここにはいくつかのトリックがあります。たとえば、完全放電電源を「眼球まで運転」し、さらに12時間保持する必要があります。通常の電気ネットワークとワイヤに加えて、この問題で充電する必要はありません。ただし、予防放電後のバッテリーの動作はより安定し、すぐに気付くことができます。

キャパシティの短期的な「リターン」

車はさておき、リチウムイオン電池全般を見てみると、何が問題なのか？最大の懸念は安全性です。リチウムイオン電池は、過負荷になったり、内部障害によって短絡が発生したりした場合に発火します。どちらの場合も、いわゆる「熱暴走」または爆発で電池が加熱されます。現在、リチウム電池の安全上のリスクはメディアから多くの注目を集めています。特に、電気自動車や飛行機で火災が発生した場合はそうです。

ルール 3

バッテリーを使用していない場合でも、バッテリーの状態を監視する必要があります。同時に、保管する部屋の温度は、15度以上であることが望ましいです。常にこの数値を正確に達成できるとは限らないことは明らかですが、それでも、この値からの偏差が小さいほど優れています。バッテリー自体は30〜50パーセント充電する必要があることに注意してください。このような条件により、深刻な損傷を与えることなく電源を長期間維持できます。どうしてフル充電してはいけないの？しかし、「眼球に詰め込まれた」バッテリーは、物理的なプロセスにより十分に失われるためです。多くのその容量。電源さえ確保すれば長い間放電状態では、実質的に役に立たなくなります。そして、本当に重宝するのはゴミ箱の中だけです。可能性は低いですが、唯一の方法はリチウムイオン電池を再生することです。

他のタイプのバッテリーも、過熱すると発火して爆発する可能性があるため、発火はリチウムイオン技術に固有の問題ではありません。リチウム電池とリチウムイオン電池の違いは何ですか? いくつかの重要な違いがあります。リチウム電池とリチウムイオン電池の実際の違いは、ほとんどのリチウム電池は充電式ではありませんが、リチウムイオン電池は充電式です。化学的な観点から、リチウム電池は純粋な金属の形でリチウムを使用します。

ルール 4

価格が数百から数千ルーブルの範囲にあるリチウムイオン電池は、元のデバイスを使用してのみ充電する必要があります。これは、より少ない程度に適用されますモバイルデバイス、アダプターは既にパッケージに含まれているためです (公式ストアで購入した場合)。ただし、この場合、それらは供給される電圧を安定させるだけであり、実際には充電器はすでにデバイスに組み込まれています。ちなみに、ビデオカメラとカメラについては言えません。これはまさに私たちが話していることです。ここでは、バッテリーを充電するときにサードパーティのデバイスを使用すると、重大な害が生じる可能性があります。

リチウムイオン電池はリチウム化合物を使用しており、リチウム電池で使用される元素リチウムよりもはるかに安定しています。リチウム電池は充電できませんが、リチウムイオン電池は何百回も充電できるように設計されています。

コントローラによって実行される機能

リチウムイオン電池の廃棄方法を教えてください。リチウムイオン電池は、すべての充電式電池と同様にリサイクル可能であり、リサイクルする必要があります。爆発する可能性があるため、決して燃やしてはいけません。充電式電池を販売しているほとんどの場所でも、リサイクルのために返却されます。

ルール 5

温度に注意してください。リチウムイオン電池は熱ストレスに耐えることができますが、過熱は有害です。また、電源の低温は最適とは言えません。最大の危険は、過熱のプロセスから正確に発生しますが。バッテリーを直射日光にさらさないでください。温度範囲とその許容値は、-40 度から +50 度までです。

リチウムイオン電池

組み立て前の円柱要素 (18650)

特徴

電気化学回路に応じて、リチウムイオン電池は次の特性を示します。

単電池の電圧は3.6Vです。
最大電圧 4.2 V、最小 2.5 ～ 3.0 V。充電器は 4.05 ～ 4.2 V の範囲の電圧をサポートします。
エネルギー密度 : 110 … 230 W*h/kg
内部抵抗：5～15ミリオーム/1Ah
20% の容量が失われるまでの充放電サイクル数: 1000 ～ 5000
クイック充電時間: 15 分 - 1 時間
室温での自己放電: 3%/月
静電容量 (C) に対する負荷電流:
- 一定 - 最大 65C、パルス - 最大 500C
- 最も許容範囲: 1C まで
動作温度範囲: -0 ... +60 °C (バッテリーは低温では充電できません)

デバイス

リチウムイオン電池は、電解液を含浸させた多孔性セパレーターで分離された電極 (アルミニウム箔上の正極材と銅箔上の負極材) で構成されています。電極のパッケージは密封されたケースに入れられ、カソードとアノードは集電端子に接続されます。ハウジングには安全弁が付いています。緊急事態および動作条件の違反。リチウムイオン電池は、使用される正極材料の種類が異なります。リチウムイオン電池の電流キャリアは正に帯電したリチウムイオンであり、他の材料の結晶格子 (例えば、グラファイト、金属酸化物、塩) にインターカレート (インターカレート) して化学物質を形成する能力があります。たとえば、LiC6、酸化物（LiMO 2）、および金属の塩（LiM R O N）の形成を伴うグラファイトへの結合。当初、負極板として金属リチウムが使用され、次に石炭コークスが使用されました。その後、グラファイトが使用されるようになりました。最近まで、コバルトまたはマンガンを含むリチウム酸化物が正極として使用されていましたが、安全で安価で毒性がなく、環境に優しい方法で廃棄できることが判明したフェロリン酸リチウムに取って代わられることが増えています。リチウムイオン電池は、監視および制御システム（SKUまたはBMS（バッテリー管理システム））と特別な充放電装置とのセットで使用されます。現在、リチウムイオン電池の大量生産には、次の 3 つのクラスのカソード材料が使用されています。リチウムイオン電池の電気化学回路: • リチウムコバルト LiCoO2 + 6xC → Li1-xCoO2 + xLi+C6 • リン酸リチウム LiFePO4 + 6xC → Li1-xFePO4 + xLi+C6

自己放電が少なく、多数充電と放電のサイクルを繰り返すリチウムイオン電池は、代替エネルギーでの使用に最も適しています。さらに、BMSシステム（SKU）に加えて、インバーター（電圧変換器）が装備されています。

利点

高エネルギー密度。
自己放電が少ない。
メモリー効果なし。
メンテナンスフリー。

欠陥

第一世代のリチウムイオン電池は、爆発の危険性がありました。これは、彼らが金属リチウム製のアノードを使用したという事実によって説明されました。その上に、複数の充電/放電サイクル中に空間形成（デンドライト）が現れ、電極の短絡を引き起こし、その結果、火災または爆発を引き起こしました. この問題は、陽極材料をグラファイトに置き換えることで最終的に解決されました。同様のプロセスは、動作条件が違反された (再充電された) ときに、酸化コバルトに基づくリチウムイオン電池のカソードでも発生しました。リン酸鉄リチウム電池には、これらの欠点がまったくありません。さらに、最新のリチウムイオン電池はすべて内蔵されています。電子回路過充電や過充電による過熱を防ぎます。

放電が制御されていないリチウムイオン電池は、寿命が短くなる場合があります。ライフサイクル他のタイプのバッテリーと比較して。完全に放電したリチウムイオン電池は、プラグを差し込んでも充電できなくなります。充電電圧. この問題は、より高い電圧パルスを印加することで解決できますが、これはリチウムイオン電池のさらなる特性に悪影響を及ぼします。リチウムイオンバッテリーの最大の「寿命」は、充電が 95% のレベルで上から制限され、放電が 15 ～ 20% のときに達成されます。この動作モードは、リチウムイオンバッテリーに含まれる BMS 監視および制御システム (SKU) によってサポートされます。

リチウムイオンバッテリーの最適な保管条件は、バッテリー容量の 40 ～ 70% のレベルで、約 5 °C の温度で充電されたときに達成されます。同時に、低温は、長期保管中の小さな容量損失にとってより重要な要素です。リチウムイオンバッテリーの平均保存期間 (耐用年数) は、平均 36 か月ですが、24 か月から 60 か月までさまざまです。

ストレージ容量の損失 :

温度	40%充電で	100%充電で
0⁰C	年2%	年間6%
25⁰C	年間4%	年間20%
40⁰C	年間15%	年間35%
60⁰C	年間25%	40% 3ヶ月

リチウムイオン電池の保管と操作に関する現在のすべての規制によれば、長期保管を保証するために、6 ～ 9 か月に 1 回、容量の 70% のレベルまで充電する必要があります。

こちらもご覧ください

ノート

文学

Khrustalev D. A. アキュムレータ。 M: エメラルド、2003 年。
ユーリ・フィリポフスキー携帯食。パート 2. (RU)。 ComputerraLab (2009 年 5 月 26 日)。 - リチウムイオン電池に関する詳細記事. 2009 年 5 月 26 日閲覧。

リンク

GOST 15596-82 用語と定義。
GOST 61960-2007

リチウム電池は何でできていますか？ 現代のリチウム電池の種類。 未使用の電池の保管に関する規則。